У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.
1Формули та методи
Диференціальні рівняння
Експоненціальне зростання/спадання
dy/dt = ky → y = y0ekt
Період напіврозпаду
k = ln 2 / t½
Закон охолодження Ньютона
T(t) = Ta + (T0 − Ta)e−kt
Інтегрувальний множник
y′ + p(x)y = q(x): μ = e∫p dx, (μy)′ = μq
Бак змішування
dm/dt = r·c − (r/V)·m
Матриці та визначники
визначник 2×2
det = ad − bc
Обернена матриця 2×2
A⁻¹ = (1/det)·[d −b; −c a]
Продукт
(AB)ij = Σk AikBkj
Власні значення
det(A − λI) = 0
Правило Крамера
xi = det(Ai)/det(A)
Вектори: скалярний і векторний добутки
Модуль
|a| = √(ax² + ay² + az²)
Одиничний вектор
û = a/|a|
Компоненти за кутом
Fx = F·cos θ, Fy = F·sin θ
Скалярний добуток
a·b = axbx + ayby + azbz = |a||b|cos θ
Скалярна проєкція a на b
a·b/|b|
Робота
W = F·d
Векторний добуток
a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx)
Площі
паралелограм |a × b|, трикутник ½|a × b|
Момент відносно O
MO = r × F, r = A − O
Об’єм паралелепіпеда
V = |a·(b × c)|
Метод
Запишіть кожен вектор у компонентах; для сили, заданої модулем і кутом, використовуйте F·cos θ і F·sin θ.
Для довжин і напрямів використовуйте модуль √(x² + y² + z²) та одиничний вектор a/|a|.
Скалярний добуток використовуйте для кутів, проєкцій, перпендикулярності й роботи: a·b = |a||b|cos θ.
Векторний добуток використовуйте для перпендикулярних векторів, площ і моментів: акуратно запишіть три компоненти, зберігаючи порядок a × b.
Інтеграли
Похідна степеня
∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1) + C
Визначений інтеграл
∫ab f dx = F(b) − F(a)
Основні інтеграли
∫eˣ dx = eˣ, ∫1/x dx = ln|x|, ∫sin x dx = −cos x
Площа між кривими
∫ab (f − g) dx
Метод
Якщо можливо, перепишіть підінтегральну функцію як суму простих доданків.
Застосуйте степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1), і табличні інтеграли для ex, 1/x, sin і cos.
Використовуйте підстановку, коли бачите функцію разом з її похідною.
Для визначеного інтеграла обчисліть F(b) − F(a).
Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Частинні похідні
fx = ∂f/∂x (y constant), fxy = fyx
Градієнт
∇f = (fx, fy), largest slope |∇f|
Похідна за напрямом
Duf = ∇f·u, u = v/|v|
Дотична площина
z = f(a, b) + fx(x − a) + fy(y − b)
Ланцюгове правило
dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt
Тест другої похідної
D = fxxfyy − fxy²: D > 0, fxx > 0 minimum; D > 0, fxx < 0 maximum; D < 0 saddle
Подвійний інтеграл
∬R f dA = ∫ab∫g(x)h(x) f dy dx
Полярні координати
x = r cos θ, y = r sin θ, dA = r dr dθ
Метод
Для частинної похідної трактуйте іншу змінну як сталу й користуйтеся правилами для однієї змінної.
Для задач про градієнт обчисліть ∇f = (fx, fy) у точці; використовуйте |∇f| для найкрутішого нахилу та ∇f·u з одиничним вектором u для похідної за напрямом.
Для екстремумів розв’яжіть fx = 0 і fy = 0 разом, а потім класифікуйте кожну точку за D = fxx·fyy − fxy².
Для подвійного інтеграла накресліть область, оберіть порядок (або полярні координати для кругів), щоб внутрішні межі були обмежувальними кривими, і спершу інтегруйте всередині.
Послідовності та ряди
Арифметична послідовність
aₙ = a₁ + (n − 1)d, Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2
Геометрична послідовність
aₙ = a₁rⁿ⁻¹, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r)
Нескінченний геометричний ряд
S = a₁/(1 − r), |r| < 1
p-ряд
Σ1/kᵖ converges only for p > 1
Ознака Даламбера
L = lim |ak+1/ak|: L < 1 converges, L > 1 diverges
Радіус збіжності
R = lim |ck/ck+1|
Многочлен Тейлора
Pₙ(x) = Σ f⁽ᵏ⁾(a)(x − a)ᵏ/k!
Ряд Маклорена
eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + …, cos x = 1 − x²/2! + …, ln(1 + x) = x − x²/2 + …
Оцінка похибки Лагранжа
|Rₙ| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!
Метод
Визначте тип: арифметична (стала різниця), геометрична (сталий знаменник), стандартний ряд, степеневий ряд чи многочлен Тейлора.
Для сум користуйтеся Sₙ = n(a₁ + aₙ)/2, Sₙ = a₁(1 − rⁿ)/(1 − r) або S = a₁/(1 − r) за |r| < 1, де a₁ — перший член суми.
Для збіжності: спершу ознака n-го члена, потім порівняння з Σ1/kᵖ або геометричним рядом, а ознаку Даламбера чи Коші використовуйте для факторіалів і k-х степенів.
Для многочленів Тейлора випишіть f(a), f′(a), f″(a), …, поділіть k-ту похідну на k! і оцініть похибку за M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!.
Накресліть обидва сигнали й позначте, де кожен з них ненульовий.
Віддзеркаліть h і зсувайте її: для кожного моменту виходу знайдіть діапазон, де обидва сигнали перекриваються.
Перемножуйте й додавайте (дискретно) або перемножуйте й інтегруйте (неперервно) лише на цьому перекритті.
Перевірте результат: вихід починається в суму моментів початку, закінчується в суму моментів завершення, а його площа чи сума дорівнює добутку площ чи сум входів.
2Задачі для практики
1.Диференціальні рівнянняСередня
Розв’яжіть y″ + 5y′ + 6y = 0 при y(0) = 1 і y′(0) = 0. Знайдіть y(1).
y″ + 5y′ + 6y = 0y(0) = 1y′(0) = 0
y(1) =
2.Диференціальні рівнянняСкладна
Система підпорядковується y″ + 2y′ + 17y = 170 для t ≥ 0, починаючи зі стану спокою: y(0) = 0, y′(0) = 0. Знайдіть пікове значення ymax її відгуку на одиничний стрибок.
y″ + 2y′ + 17y = 170y(0) = 0y′(0) = 0
ymax =
3.Матриці та визначникиСередня
Знайдіть визначник det A поданої матриці 3×3 A.
A = [4 −2 −1; −4 1 4; 2 1 −2]
det A =
4.Матриці та визначникиСкладна
Знайдіть більше власне значення λ поданої матриці A.
A = [3 1; 6 2]
λ =
5.Вектори: скалярний і векторний добуткиСередня
Знайдіть скалярну проєкцію compb a вектора a = (7, −2, −3) на b = (2, 1, 1), тобто компоненту a у напрямі b.
a = (7, −2, −3)b = (2, 1, 1)
compb a =
6.Вектори: скалярний і векторний добуткиСкладна
Сила F = (−30, 60, −50) N діє в точці A(−3, 2, −4). Координати подано в метрах. Знайдіть x-компоненту Mx моменту сили відносно початок координат O(0, 0, 0).
F = (−30, 60, −50) NA(−3, 2, −4) mO(0, 0, 0) m
Mx = N·m
7.ІнтегралиСередня
Обчисліть I = ∫01 2x·(x² + 1)3 dx.
f(x) = 2x·(x² + 1)3[0, 1]
I =
8.ІнтегралиСкладна
Знайдіть площу A області, обмеженої y = 0,5x2 і y = 2x.
y = 0,5x2y = 2x
A =
9.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСередня
Для f(x, y) = sin(−x − y) знайдіть напрямок найшвидшого зростання в (1, 1) як кут θ від додатної осі x, у градусах між −180° і 180°.
f(x, y) = sin(−x − y)P = (1, 1)
θ = °
10.Диференціальне числення функцій багатьох зміннихСкладна
Інтеграл I = ∫00,8 ∫y0,8 1/(1 + x²)² dx dy не можна обчислити в такому порядку. Змініть порядок інтегрування й обчисліть його.
f = 1/(1 + x²)²0 ≤ y ≤ x ≤ 0,8
I =
11.Послідовності та рядиСередня
Знайдіть суму S = Σk=1∞ 5/(k(k + 4)).
ak = 5/(k(k + 4))
S =
12.Послідовності та рядиСкладна
Знайдіть коефіцієнт c₄ при (x − 2)⁴ у ряді Тейлора функції f(x) = ln x у точці a = 2.
f(x) = ln xa = 2k = 4
c₄ =
13.Перетворення ЛапласаСередня
Знайдіть f(t) для F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5)) розкладом на простіші дроби й обчисліть f(0,3).
F(s) = 50/(s(s + 2)(s + 5))t = 0,3 s
f(0.3) =
14.Перетворення ЛапласаСкладна
Систему описано диференціальним рівнянням y″ + 6y′ + 13y = 3u′ + 13u із входом u(t) і виходом y(t). Знайдіть її передатну функцію G(s) = Y(s)/U(s) (нульові початкові умови) і обчисліть імпульсну характеристику g(t) при t = 0,1 s. Знайдіть g(0,1).
y″ + 6y′ + 13y = 3u′ + 13ut = 0,1 s
g(0.1) =
15.Згортка та лінійні стаціонарні системиСередня
Сигнал x(t) ненульовий лише між t = −1 s і t = 2 s, а h(t) — лише між t = 3 s і t = 4 s. Знайдіть тривалість D сигналу y(t) = x(t) ∗ h(t).
x: −1 … 2 sh: 3 … 4 s
D = s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системиСкладна
Прямокутна хвиля перемикається між 10 і 0 з періодом T = 10 ms (півперіоду на кожному рівні). Знайдіть амплітуду c3 її фур’є-складової на частоті 300 Hz.
0 … 10T = 10 msf = 300 Hz
c3 =
3Розчини
1.Диференціальні рівняння
Відповідь: y(1) = 0,3064
Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.
Характеристичні корені
(r + 2)(r + 3) = 0 → r = −2, −3
Сталі за початковими значеннями
A + B = 1, −2A − 3B = 0
A = 3, B = −2
Обчисліть
y(1) = 3·e−2 + (−2)·e−3 = 0,3064
Відповідь
y(1) = 0,3064
2.Диференціальні рівняння
Відповідь: ymax = 14,56
Лінійні рівняння другого порядку: для y″ + b·y′ + c·y = 0 шукайте y = ert: це дає характеристичне рівняння r² + b·r + c = 0. Два дійсні корені r₁ ≠ r₂ дають y = A·er₁t + B·er₂t (надкритичне демпфування); подвійний корінь r дає y = (A + Bt)·ert (критичне демпфування); комплексні корені −α ± jω дають y = e−αt(A cos ωt + B sin ωt) (докритичне демпфування, коливання). Початкові значення y(0) і y′(0) визначають A і B. У вигляді y″ + 2ζωny′ + ωn²y = 0 величина ωn — власна частота, а ζ — коефіцієнт демпфування: при ζ < 1 є коливання. При сталому вході y″ + by′ + cy = c·K розв’язок — усталене значення K плюс вільна складова.
Усталене значення та корені
yss = 10, r = −1 ± 4j
Сталі за початковими значеннями
y(0) = 10 + A = 0 → A = −10
y′(0) = −1A + 4B = 0 → B = −2,5
Пік
t = π/4 = 0,7854
ymax = 10·(1 + e−1·π/4) = 14,56
Відповідь
ymax = 14,56
3.Матриці та визначники
Відповідь: det A = −18
Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.
Мінори 2×2 першого рядка
M₁₁ = −6, M₁₂ = 0, M₁₃ = −6
Розклад за рядком
det A = 4·(−6) − (−2)·0 + (−1)·(−6) = −18
Відповідь
det A = −18
4.Матриці та визначники
Відповідь: λ = 5
Матриці: визначник матриці 2×2 дорівнює ad − bc. Для 3×3 розкладіть за рядком: кожен елемент множиться на визначник матриці 2×2, що залишається після викреслення його рядка і стовпця, зі знаками, що чергуються: + − +. Власні значення λ задовольняють det(A − λI) = 0; для 2×2 це λ² − (слід)·λ + det = 0.
Характеристичне рівняння
λ² − (5)λ + (0) = 0
Розв’яжіть
λ = (5 ± √(25))/2 → λ = 0, 5
λ = 5
Відповідь
λ = 5
5.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: compb a = 3,674
Dot product:a·b = axbx + ayby + azbz = |a|·|b|·cos θ, a scalar. It gives the angle between two vectors, cos θ = a·b/(|a|·|b|), and it is zero when they are perpendicular. The scalar projection of a onto b is a·b/|b|, and a constant force F moving through a displacement d does work W = F·d.
Скалярний добуток
a·b = 7·2 + (−2)·1 + (−3)·1 = 9
Довжина b
|b| = √(2² + 1² + 1²) = 2,449
Скалярна проєкція
compb a = a·b/|b| = 9/2,449 = 3,674
Відповідь
compb a = 3,674
6.Вектори: скалярний і векторний добутки
Відповідь: Mx = 140 N·m
Cross product:a × b = (aybz − azby, azbx − axbz, axby − aybx) is perpendicular to both vectors, and |a × b| = |a|·|b|·sin θ is the area of the parallelogram they span (the triangle has half of it). Order matters: b × a = −(a × b). The moment of a force F applied at point A about point O is MO = r × F, with r = A − O.
Радіус-вектор від O до A
r = A − O = (−3, 2, −4) − (0, 0, 0) = (−3, 2, −4) m
Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.
Заміна змінної
u = x² + 1, du = 2x dx
I = ∫12 u3 du
Проінтегруйте й підставте межі
I = [u4/4]12 = (16 − 1)/4 = 3,75
Відповідь
I = 3,75
8.Інтеграли
Відповідь: A = 5,333
Визначені інтеграли: ∫ₐᵇ f(x) dx — це площа зі знаком між графіком і віссю x від a до b. Знайдіть первісну F (F′ = f) і обчисліть F(b) − F(a). Степеневе правило: ∫xⁿ dx = xⁿ⁺¹/(n + 1). Площа між двома кривими — це ∫(верхня − нижня) dx.
Точки перетину
0,5x2 = 2x → x = 0, x = 4
Інтегруйте верхню мінус нижню
A = [x2 − 0,1667x3]04 = 5,333
Відповідь
A = 5,333
9.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: θ = 45 °
Градієнт: ∇f = (fx, fy) вказує напрямок найшвидшого зростання, а |∇f| — найбільша швидкість зміни. Похідна за напрямом v дорівнює Duf = ∇f·u з одиничним вектором u = v/|v|. Дотична площина в точці (a, b): z = f(a, b) + fx(a, b)(x − a) + fy(a, b)(y − b); вона дає лінійне наближення f поблизу цієї точки. Правило ланцюга: dz/dt = fx·dx/dt + fy·dy/dt.
Частинні похідні
fx = −1 cos(−x − y) → fx(1, 1) = 0,4161
fy = −1 cos(−x − y) → fy(1, 1) = 0,4161
Напрямок
θ = atan2(0,4161, 0,4161) = 45°
Відповідь
θ = 45°
10.Диференціальне числення функцій багатьох змінних
Відповідь: I = 0,1951
Критичні точки та подвійні інтеграли: критична точка має fx = fy = 0. Тест другої похідної з D = fxxfyy − fxy²: D > 0 і fxx > 0 — локальний мінімум, D > 0 і fxx < 0 — локальний максимум, D < 0 — сідлова точка, а D = 0 нічого не вирішує. Для подвійного інтеграла по довільній області нехай внутрішні межі будуть кривими, що обмежують область; для кругів і секторів використовуйте полярні координати, x = r cos θ, y = r sin θ і dA = r dr dθ (не забудьте множник r).
Область
0 ≤ y ≤ x, 0 ≤ x ≤ 0,8
Змінений порядок
I = ∫00,8 ∫0x 1/(1 + x²)² dy dx = ∫00,8 x·1/(1 + x²)² dx
Підстановка u = x²
I = [−1/(2(1 + x²))]00,8 = 0,1951
Відповідь
I = 0,1951
11.Послідовності та ряди
Відповідь: S = 2,604
Збіжність: якщо члени не прямують до 0, ряд розбігається (необхідна умова збіжності, ознака n-го члена). Σ1/kᵖ збігається лише за p > 1, а Σrᵏ лише за |r| < 1. Порівнюйте ряд з одним із них, коли його члени для великих k поводяться як вони. Ознака Даламбера: L = lim |ak+1/ak|; ознака Коші: L = lim |ak|1/k. L < 1 — збігається, L > 1 — розбігається, L = 1 нічого не вирішує. Степеневий ряд Σck(x − x₀)ᵏ збігається для |x − x₀| < R, де R = lim |ck/ck+1|; знакозмінний ряд із членами, що спадають до 0, збігається.
Простіші дроби
5/(k(k + 4)) = (5/4)·(1/k − 1/(k + 4))
Скасувати
S = (5/4)·(1 + 1/2 + 1/3 + 1/4) = 2,604
Відповідь
S = 2,604
12.Послідовності та ряди
Відповідь: c₄ = −0,01563
Многочлени Тейлора: поблизу x = a гладка функція наближається многочленом Pₙ(x) = f(a) + f′(a)(x − a) + f″(a)(x − a)²/2! + … + f⁽ⁿ⁾(a)(x − a)ⁿ/n!; для a = 0 це многочлен Маклорена. Стандартні ряди: eˣ = Σxᵏ/k!, sin x = x − x³/3! + x⁵/5! − …, cos x = 1 − x²/2! + x⁴/4! − …, ln(1 + x) = x − x²/2 + x³/3 − …, 1/(1 − x) = Σxᵏ. Оцінка похибки Лагранжа: |f(x) − Pₙ(x)| ≤ M·|x − a|ⁿ⁺¹/(n + 1)!, де M — найбільше значення |f⁽ⁿ⁺¹⁾| між a і x.
Похідна f⁽⁴⁾
f⁽⁴⁾(x) = −6/x⁴
Коефіцієнт
c₄ = f⁽⁴⁾(2)/4! = −6/(2⁴·24) = −0,01563
c₄ = −0,01563
Відповідь
c₄ = −0,01563
13.Перетворення Лапласа
Відповідь: f(0.3) = 1,17
Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Простіші дроби
F(s) = A/s + B/(s + 2) + C/(s + 5)
A = 50/(2·5) = 5
B = 50/((−2)·3) = −8,333
C = 50/((−5)·(−3)) = 3,333
Обернене перетворення
f(t) = 5 − 8,333·e−2t + 3,333·e−5t
Обчисліть
f(0,3) = 5 − 8,333·e−2·0,3 + 3,333·e−5·0,3 = 1,17
Відповідь
f(0,3) = 1,17
14.Перетворення Лапласа
Відповідь: g(0.1) = 2,473
Перетворення Лапласа: F(s) = ∫₀∞ f(t)·e−st dt перетворює похідні на множення на s: ℒ{f′} = sF(s) − f(0), ℒ{f″} = s²F(s) − s·f(0) − f′(0). Стандартні пари: 1 ↔ 1/s, e−at ↔ 1/(s + a), t·e−at ↔ 1/(s + a)², sin ωt ↔ ω/(s² + ω²), cos ωt ↔ s/(s² + ω²), а зсув s → s + σ множить оригінал на e−σt. Щоб знайти оригінал раціональної F(s), розкладіть її на простіші дроби: коефіцієнт простого полюса p дорівнює A = [(s − p)·F(s)] при s = p. Теорема про кінцеве значення: f(∞) = lims→0 s·F(s), справедлива лише тоді, коли всі полюси s·F(s) лежать у лівій півплощині. Теорема про початкове значення: f(0⁺) = lims→∞ s·F(s).
Неперервна згортка: y(t) = ∫ x(τ)·h(t − τ) dτ. Відобразіть h дзеркально, посуньте її в положення t та проінтегруйте добуток частин, що перекриваються. Для причинних сигналів інтеграл береться від 0 до t. Корисні результати: площа y дорівнює площі x, помноженій на площу h; якщо x триває від t₁ до t₂, а h — від t₃ до t₄, то y триває від t₁ + t₃ до t₂ + t₄. Для h(t) = e−atu(t) і східчастого сигналу висотою A маємо y(t) = (A/a)(1 − e−at).
Початок і кінець
tstart = −1 + 3 = 2 s
tend = 2 + 4 = 6 s
Відповідь
D = 4 s
Відповідь
D = 4 s
16.Згортка та лінійні стаціонарні системи
Відповідь: c3 = 2,122
Імпульсна характеристика та ряд Фур’є: імпульсна характеристика h(t) повністю описує лінійну стаціонарну систему: для y′ + a·y = b·x вона має вигляд h(t) = b·e−atu(t), а для y[n] = a·y[n − 1] + b·x[n] — h[n] = b·aⁿu[n]. Синусоїда cos ωt проходить із коефіцієнтом підсилення |H(jω)| і фазою ∠H(jω), де H — перетворення Фур’є функції h. Періодичний сигнал є сумою гармонік на частотах k/T: прямокутна хвиля ±A має лише непарні гармоніки з амплітудами 4A/(kπ), трикутна хвиля з піком A має 8A/(π²k²), а послідовність імпульсів висотою A з коефіцієнтом заповнення D має середнє значення A·D і гармоніки (2A/(kπ))·|sin(kπD)|.